MICROCENTRALES HIDROELÉCTRICAS

Cartilla informativa para la generación de energía eléctrica

TECNOLOGÍAS PARA LA GESTIÓN DE RIESGOS

TECNOLOGÍAS PARA SERVICIOS BÁSICOS E INFRAESTRUCTURA

TECNOLOGÍAS PARA LA PRODUCCIÓN

COLECCIÓN TECNOLOGÍAS TRANSFORMANDO VIDAS

Sánchez, Teodoro Microcentrales hidroeléctricas: cartilla informativa para la generación de energía eléctrica/ Teodoro Sánchez, Rafael Escobar. — Lima: Soluciones Prácticas, 2012. 16 p. ISBN 978-612-4134-05-0 ENERGÍA HIDRAÚLICA/ ELECTRIFICACIÓN RURAL/ GENERACIÓN DE ENERGÍA/ TECNOLOGÍA DE LA ENERGÍA/ MICROCENTRALES HIDROELÉCTRICAS/ FUENTES DE ENERGÍAS 259/S21 Clasificación SATIS. Descriptores OCDE

COLECCIÓN TECNOLOGÍAS TRANSFORMANDO VIDAS/ TECNOLOGIAS PARA SERVICIOS BÁSICOS E INFRAESTRUCTURA/ ENERGIA / CARTILLA MICROCENTRALES HIDROELÉCTRICAS Hecho el depósito legal en la Biblioteca Nacional del Perú N° 2012-11565 Primera edición: 2012 © Practical Action para su sello Soluciones Prácticas Razón social: Práctical Action Domicilio: Av. Jorge Chávez 275, Miraflores. Casilla postal 18-0620 Lima 18, Perú Teléfonos: (51-1) 444-7055, 242-9714, 447-5127 Fax: (51-1) 446-6621 Correo-e: [email protected] www.solucionespracticas.org Redacción: Teodoro Sánchez, Rafael Escobar Revisión: Gilberto Villanueva Coordinación: Francis Salas Cuidado de estilo: Paul Forsyth Corrección de estilo y edición: Gabriel Reaño Línea gráfica desarrollada por BRÍNCALA S.A.C (*) Diagramación: Diana Ruiz Impreso por: GMC Digital SAC/ Ca. Elías Aguirre 126. Oficina 505 - Miraflores Producido en Perú, 2012

(*)Inspirada en diseño de Carmen Javier para la colección de publicaciones Block Grant

Contenido Presentación

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Microcentrales Hidráulicas y sus Componentes

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El agua y la generación de energía

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1. ¿Qué es la energía hidráulica?

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2. Microcentrales Hidroeléctricas (MCH)

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3. Ventajas de las MCH

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4. Componentes de una MCH

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5. Algunas aplicaciones de la electricidad

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6. ¿Cómo gestionar un proyecto con MCH?

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La energía eléctrica es un servicio básico fundamental para el desarrollo humano, sin embargo, en zonas rurales muy pocos habitantes tienen este servicio. El acceso a través del tendido de la red nacional se hace cada vez más costoso y difícil por la lejanía de muchas de las poblaciones y el costo adicional que significa extender el tendido para atender a lugares con una baja densidad poblacional. Por otro lado, los grupos diesel son un constante gasto para estas poblaciones, muchas veces pobres. Las energías renovables como la solar, eólica y la hidráulica a pequeña escala han demostrado ser apropiadas para las condiciones de las poblaciones rurales, pues son un recurso local y no requieren de una inversión para combustible. En la presente cartilla se describe de forma simple la energía hidráulica en una de sus principales aplicaciones: la generación de energía a través de las microcentrales hidroeléctricas, con la finalidad de difundir conocimientos entre los líderes de organizaciones de base, autoridades de comunidades rurales y representantes de gobiernos locales.

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Presentación

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Microcentrales Hidráulicas y sus Componentes El agua y la generación de energía

El agua es un recurso natural abundante y renovable que tenemos a disposición en nuestras comunidades. Ha sido utilizada desde tiempos remotos para mover máquinas que facilitan las tareas diarias del hombre. El ejemplo más conocido es el molino hidráulico para la producción de harinas.

1. ¿Qué es la energía hidráulica? Es la energía que se obtiene por la fuerza del agua cuando cae desde cierta altura, provocando el movimiento de ruedas hidráulicas o turbinas.

Las turbinas son diseñadas para aprovechar los recursos hidráulicos existentes en quebradas muy pequeñas, en manantiales u otras fuentes donde existen pequeñas caídas de agua.

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Hace más de 100 años se empezó a utilizar la energía del agua para generar electricidad. La energía generada se puede utilizar para mejorar los servicios de nuestra comunidad, para transformar nuestros productos o para facilitar nuestras tareas.

Podemos encontrar agua en ríos, canales, puqios, quebradas, etc.

3. Ventajas de las MCH • No necesitan combustible sino que utilizan la fuerza del agua, que es un recurso inagotable. • No contamina el medioambiente porque no produce gases ni humo en su funcionamiento. • Normalmente su trabajo es continuo. • Permite el funcionamiento de otros equipos y máquinas.

Clasificación • Picocentrales hidroeléctricas: hasta 5 kW • Microcentrales hidroeléctricas: de 5 a 100 kW • Minicentrales hidroeléctricas: de 100 a 1 000 kW

Muchas de las actividades productivas dependen del agua

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2. Microcentrales Hidroeléctricas (MCH)

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Equivalencias

1 kW = 20 focos de 50 W

Cámara de carga

Canal

1 kW = 66 focos ahorradores de 15 W

Bocatoma o captación de agua

Desarenador

Tubería de presión Rebose

4. Componentes de una MCH En general, las MCH se componen de: obras civiles, un equipo electromecánico y redes eléctricas de transmisión y distribución. El gráfico muestra los principales componentes de una MCH.

Casa de fuerza

Línea de transmisión

Equipo electromecánico

Obras civiles Están conformadas por la bocatoma, el canal de conducción, el desarenador, la cámara de carga, tubería de presión y la casa de máquinas, entre otros. Bocatomas • Sirven para desviar parte del caudal del río que será utilizado para la MCH.

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Principales componentes de una microcentral hidráulica

• Para su construcción se usan estructuras de cemento o una combinación de cemento y madera. tecnologías para SERVICIOS BÁSICOS E INFRAESTRUCTURA ENERGÍA

• Cuando se trata de centrales muy pequeñas, las comunidades utilizan piedra, barro y ramas, como en las bocatomas que se construyen usualmente para el riego.

Función de la bocatoma Garantizar la captación de una cantidad constante de agua, en especial en épocas de estiaje. Impedir, hasta donde sea posible, el ingreso de materiales sólidos y flotantes, haciendo que estos sigan el curso del río o facilitando la limpieza. Proteger el resto de sistemas de obras hidráulicas del ingreso de avenidas o embalses que pudieran producirse en las épocas lluviosas.

Canal de conducción • Sirve para conducir el agua desde la bocatoma hasta la cámara de carga. • En nuestras comunidades existen muchos canales utilizados para riego.

Bocatoma de barraje móvil

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• Pueden ser de tierra, revestidos de cemento, tubos de PVC u otro material.

• Asegura que la tubería de presión esté llena, evitando el ingreso de aire.

Canal revestido con concreto

Tubo canal para conducción de agua

Tubería de presión • Transporta el agua desde la cámara de carga hasta la casa de máquinas. • Puede ser construida en acero, PVC o polietileno.

Desarenador y cámara de carga • Evita que las piedras o la arenilla que trae el agua ingresen a la tubería de presión y a la turbina.

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Tuberías de PVC • En la actualidad se usan mucho en la construcción de MCH por su bajo costo, por ser de fácil transporte e instalación respecto al acero.

• Siempre deben estar enterradas para evitar daños por su exposición al sol.

Pautas para seleccionar una tubería de presión • Establecer la caída bruta y el cauda de diseño • Seleccionar el material • Medir o calcular la longitud de la tubería • Definir los cambios de dirección (horizontal y vertical) • Tener en cuenta los accesorios (Curvas, reducciones, etc.)

Casa de máquinas

Muestra de tuberías de pvc

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• Soportan altas presiones y se fabrican en grandes diámetros.

Es el ambiente donde se instalan todos los equipos de generación y control y donde se ubica el canal de descarga, a través del cual se evacúa el agua.

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Equipo electromecánico Se conoce así a todos los equipos que se encuentran dentro de la casa de máquinas: turbina, generador, regulador, tablero de control y otros. Tablero de control y regulador electrónico

Generador

Las turbinas hidráulicas pueden clasificarse según diferentes criterios Según la variación de la presión estática a través del rodete:

Tanque de resistencia

• Turbinas de acción o impulso, cuando la presión estática permanece constante entre la entrada y salida del rodete. Turbina

• Turbinas de reacción, cuando la presión estática disminuye en la entrada y la salida del rodete. Según la dirección del flujo a través del rodete: • Turbina de flujo tangencial.

¿Qué son las turbinas? Son máquinas que transforman la energía del agua en energía mecánica mediante un rotor que gira por la fuerza del agua. ¿Cuántas clases de turbinas hay? Existen varios tipos de turbinas que se instalan de acuerdo a las condiciones del caudal (cantidad de agua) y la altura de la tubería de presión. 10

• Turbina de flujo radial. • Turbina de flujo semiaxial. • Turbina de flujo axial. Según el grado de admisión del rodete: • Turbina de admisión parcial. • Turbina de admisión total.

Altura (m) 10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Hélice

Turbina tipo Pelton

Turbina tipo michel banki

Tipos de turbina

Kaplan Michel Banki Francis Pelton Turgo Bomba

Turbina tipo FRANCIS

Turbina tipo AXIAL

(como turbina)

Tipos de turbinas • Turbina tipo Pelton: para grandes alturas o caídas por encima de 30 m y pequeños caudales de agua. • Turbina Michel Banki: para alturas medianas (entre 20 y 40 m) y caudales de agua medianos. Por su bajo costo se utiliza bastante en MCH. • Turbina tipo Francis: para alturas pequeñas y medianas (entre 10 y 40 m) y caudales de agua medianos.

El generador de electricidad (alternador o dínamo)

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• Turbina axial o de hélice: para caídas bajas (entre 3 y 10 m) y caudales de agua medianos.

Rango de aplicación de las turbinas

Esta máquina recibe el giro de la turbina y transforma la energía mecánica del eje de la turbina, en energía eléctrica. Existen varios tipos de generadores:

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• Generador síncrono: de mayor aplicación en MCH, pueden ser de eje horizontal o vertical.

• Generador de imanes permanentes: se utiliza en sistemas pequeños (menos de 1 kW).

• Generador de inducción: llamado también «motor como generador». Se utiliza para pequeñas potencias, hasta de 12 kW. Es una alternativa interesante por su bajo costo.

• Alternador automotriz: otra alternativa para la electrificación rural, especialmente para cargar baterías.

Generador de imanes permanentes

Generador síncrono

Alternador automotriz

Generador de inducción

Velocidad síncrona Es la velocidad de giro de la máquina en rpm, que permanece invariable y origina en la corriente alterna la frecuencia síncrona normalizada. La velocidad rotativa es dada por la máquina, en este caso la turbina hidráulica.

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Reguladores y tableros de control • Se encargan de mantener constante el voltaje de trabajo. Evitan las subidas y bajadas de voltaje que puedan dañar a los artefactos o equipos de los usuarios. • Los reguladores pueden ser de velocidad (electromecánicos u olehidráulicos) o de carga. • Los reguladores electrónicos de carga son los más utilizados en MCH por su bajo costo, fácil operación y mantenimiento.

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• En el tablero se encuentran los instrumentos de control y protección: voltímetro, amperímetro, medido de frecuencia y medidor de potencia y energía. amperímetros

voltímetro

Redes eléctricas Se encargan de transportar la energía eléctrica desde la casa de máquinas hasta el usuario final. Cuando la casa de máquinas se encuentra lejos de la comunidad (por ejemplo, a más de 800 metros), es necesaria la instalación de una red en media o alta tensión y se utilizan transformadores.

Redes eléctricas

5. Algunas aplicaciones de la electricidad Facilita el funcionamiento de equipos y máquinas. Permite satisfacer necesiades básicas y actividades productivas que mejoren el ingreso familiar.

Uso de televisión y radios

Uso de computadoras

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6. ¿Cómo gestionar un proyecto con MCH? Alumbrado público

Negocio de fotocopias

Si tu comunidad necesita energía que puede ser cubierta por una MCH, busca apoyo en instituciones especializadas como organismos de cooperación (ONG), gobiernos regionales, gobiernos locales, otros. Sin embargo, es necesario que tengas cierta información a la mano: • Localiza en un mapa de la región dónde está tu comunidad y el acceso desde la ciudad más cercana • Identifica a los miembros de tu comunidad, autoridades, número de familias o habitantes, número de viviendas

Negocio de carpintería

• Identifica las necesidades de electricidad en tu comunidad ¿Qué equipos piensan utilizar? Negocio de alimentos

• ¿Es posible utilizar otras fuentes de energía como el sol o el viento dentro del contexto? • ¿A qué distancia de la red nacional se encuentra tu comunidad? • Organízate y forma un comité que se dedique al tema de electrificación o nombra responsables para la gestión • Participa, junto a tus representantes, en la toma de la decisión más adecuada

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Estructura DOCUMENTOS DE PROYECTOS DE TECNOLOGÍAS TECNOLOGÍAS PARA LA PRODUCCIÓN Ecosistemas de Montaña Agroindustria Rural Ganadería Recursos Naturales Agricultura Otros Ecosistemas Tropicales Agroforestería Servicios Ecosistémicos Otros Tecnologías para Servicios Básicos e Infraestructura Agua y Saneamiento Energía Vivienda TIC Otros Tecnologías para la Gestión de Riesgos Prevención y Preparación Reconstrucción Respuesta a Emergencias Otros

Soluciones Prácticas es un organismo de cooperación técnica internacional que contribuye al desarrollo sostenible de la población de menores recursos, mediante la investigación, aplicación y diseminación de tecnologías apropiadas. Tiene oficinas en África, Asia, Europa y América Latina. La oficina regional para América Latina tiene sede en Lima y coordina el trabajo en la región de las oficinas de Perú y Bolivia. Trabaja a través de sus programas de Sistemas de Producción y Acceso a Mercados; Energía, Infraestructura y Servicios Básicos; Gestión de Riesgos y Adaptación al Cambio Climático y las áreas de Control de calidad, Administración, Finanzas, Comunicaciones y la Unidad de Consultorías (PAC).

www.solucionespracticas.org